3D打印材料获突破，升华三维开拓硬质合金增材制造新工艺

来源： 升华三维

硬质合金是一种复合材料，通常包括难熔金属碳化物（钛、钼、钨、钽、铌等的碳化物）和粘结金属（镍、钼、钨、钴等）。硬质合金具备优良的力学性能，有良好的耐磨性能、抗氧化性以及热稳定性。可用于制造切削刀具、凿岩工具、采矿工具、钻孔工具、量具、易损件、金属磨削工具、气缸套、精密轴承、喷嘴等，被誉为“工业的牙齿”。

硬质合金的传统制备方法及难点
硬质合金通常采用注射成型、挤压成型、模压成型、热压、热等静压、火花等离子烧结等方式制备，特别是挤压成型有着广泛的应用前景。不过传统工艺制备硬质合金完全依赖模具，且模具成本高、周期长、后续加工成本高，对硬质合金制造成本造成很大影响；另外，如复杂形状、多功能/变化功能复合结构、梯度结构等硬质合金也无法采用常规方法制备，严重限制了硬质合金制品的结构设计空间、材料优势发挥和应用领域的拓展。

▲传统硬质合金结构件（来源网络）

硬质合金因具有高熔点和高硬度特性，从而导致它加工非常困难，常用的粉末冶金等方式只能制造一些形状结构较简单的零部件。随着先进制造的快速发展，传统结构件制造工艺已难以满足实际应用需求，开发更灵活的复杂结构制造方法显得尤为重要。3D打印技术的出现为制造形状复杂的结构件提供了新方法，特别是用于异形、结构一体化、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

3D打印制备硬质合金方法及特点
3D打印技术可轻易实现复杂几何形状构件的生产制备，有望在硬质合金的生产应用上降低生产成本。目前，硬质合金3D打印工艺制造可归纳为两类技术路线，一种为基于热成形技术的PBF技术路线：PBF技术采用高能激光或电子束为热源，选择性地烧结或熔化粉末，逐层成形得到三维实体零件，主要包括选区激光烧结(SLS)、选区激光熔化(SLM)、选区电子束熔化(SEBM)等工艺。另一种为基于硬质合金生坯冷打印、脱脂和烧结工艺的FDS技术路线：该类技术充分发挥了3D打印（冷加工）和粉末冶金脱脂烧结工艺（热加工）的优势，采用冷打印成形生坯，再进行生坯脱脂、烧结，制备三维实体零件。其中，生坯冷打印工艺研究已发展出粘合剂喷射成形(BJAM)、熔融沉积成型(FDM)和3D凝胶打印成形(3DGP)等3种工艺。https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103410

▲3D打印质硬合金样品（来：升华三维）

PBF技术路线能够成功制备接近理论密度、力学性能良好的硬质合金构件，但也存在许多的问题：如SLS往往需要后续处理，如元素熔渗提高综合性能、SLM易产生裂纹孔洞缺陷；热成型技术的重复加热冷却过程会形成独有的微观组织，影响零件性能，需要通过热等静压和热处理等后处理手段达到性能，却会带来额外的时间和成本，阻碍了3D打印硬质合金的发展进程。而基于烧结的技术线路制备硬质合金构件一般不存在明显的裂纹和孔洞缺陷，组织整体分布均匀，力学性能优良，不过表面粗糙度有待加强。

基于烧结的PEP工艺制备硬质合金
3D打印为开拓硬质合金应用提供了新的制造路径。粉末挤出打印技术（PEP）是由升华三维推出的一种基于烧结工艺的金属/陶瓷间接3D打印技术。PEP是在FDM技术基础上，再结合粉末冶金工艺形成的金属/陶瓷3D打印方法。采用金属/陶瓷粉体适配粘结剂通过3D打印专用密炼机混炼成颗粒材料、然后通过3D打印设备制备出具有一定密度和强度的生坯，再经过3D打印专用脱脂烧结炉进行后处理工艺，从而获得最终致密和性能优异的结构件。为硬质合金高性能复杂结构制造提供有效解决方案。

▲粉末挤出打印技术（PEP）工艺流程图

升华三维开发出了适配PEP工艺3D打印设备的硬质合金材料。是一种呈灰色，粒径在8-14目的近球形颗粒金属-陶瓷复合材料，具有高硬度、高强度、高耐磨性、耐热、耐腐蚀等优异性能。可应用军工、航空航天、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、核工业等领域。

▲硬质合金打印材料

PEP工艺为硬质合金广泛应用打开新窗口

利用PEP技术的热融挤出系统打印设备实现对材料的一体化无模成型，有效缩短了制备周期。PEP工艺不仅不需要昂贵的高能量激光设备；采用打印与脱脂烧结分开的工艺模式，还可以利用传统脱脂烧结设备，可极大地减少投入成本；而其低温成型、高温成性的特性，很好地解决硬质合金3D打印制备过程中极易出现的变形、裂纹、孔洞等问题，从而确保了产品性能一致性；另外基于PEP的3D打印系统采用独立双喷嘴设计，可实现多功能复合材料结构和梯度材料结构产品的开发制造。通过PEP工艺制备的硬质合金构件其致密度、均匀性、力学性能均能达到甚至超过传统粉末冶金工艺，有望为硬质合金广泛应用打开新窗口。

▲3D打印质硬合金烧结性能（来：升华三维）

升华三维一直致力于金属/陶瓷间接3D打印技术的推广与应用，在不断研发适用于工业发展的3D打印技术及设备同时，在3D打印材料开发上也从未停止探索的脚步。目前已相继开发出了适配PEP工艺的不锈钢、铜及铜合金、钨及钨合金、高温合金、硬质合金、难熔金属等金属材料，氧化锆、氧化铝、碳化硅、生物陶瓷等陶瓷材料。未来，升华三维将继续借助PEP技术，结合粉末冶金工艺实现更多应用材料的开发和制造，解锁3D打印在更多领域的应用创新，展现出3D打印的生机与活力，推动我国工业制造高质量发展。